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(11) | EP 0 110 192 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Messtaster |
| (57) ® In einem Gehäuse (20) ist ein Taststiftträger (34) angeordnet, der sich über eine
rings um eine zentrale Längsachse (40) angeordnete Lagerung an einem Stützkörper (26)
abstützt und zur Befestigung mindestens eines Taststifts (38) ausgebildet ist. Der
Taststiftträger (34) ist in der Mitte einer elastischen Scheibe (30) befestigt, die
normal zur Längsachse (40) angeordnet und mit ihrem äußeren Rand im Gehäuse (20) befestigt
ist. Dem Taststiftträger (34) ist mindestens ein elektrischer Schalter (56) zugeordnet,
der bei Auslenkungen des Taststiftes (38) ein Signal abgibt. |
[0001] Die Erfindung betrifft einen Meßtaster mit
- einem Gehäuse, an dem ein Stützkörper angeordnet ist,
- einem Taststiftträger, der sich über eine rings um eine zentrale Längsachse angeordnete Lagerung am Stützkörper abstützt und zur Befestigung mindestens eines Taststifts ausgebildet ist,
- und einer Federung, die bestrebt ist, den Taststiftträger in einer Ruhestellung zu halten, in der er sich über die gesamte Lagerung am Stützkörper abstützt, jedoch bei Einwirkung einer äußeren Kraft auf den Taststift ein Kippen des Taststiftträgers um eine quer zur Richtung dieser Kraft und zur Längsachse verlaufende Querachse sowie eine durch das Kippen bedingte Signalabgabe ermöglicht.
[0002] Bei einem bekannten Meßtaster dieser Gattung (Zeitschrift "Industrie-Anzeiger" Nr.27 v.2.4.1982/104.Jg.S.20) hat der Taststiftträger drei radiale Arme, die innerhalb des Gehäuses in einer zur zentralen Längsachse normalen Ebene in Winkelabständen von je 120° gegeneinander versetzt angeordnet sind und an ihren Enden je ein Kontaktstück aufweisen. Die Kontaktstücke liegen in Ruhestellung am Stützkörper an und bilden einerseits gemeinsam die Lagerung des Taststiftträgers und sind andererseits an je einen Stromkreis angeschlossen, der über den Stützkörper geschlossen werden kann. Die Federung besteht aus einer zentralen Schraubendruckfeder, die zwischen einem axialen Dorn am in bezug auf das Gehäuse inneren Ende des Taststiftträgers und einer gegenüberliegenden Stirnwand des Gehäuses eingespannt ist.
[0003] Bei diesem bekannten Meßtaster läßt sich eine hohe Meßgenauigkeit über eine längere Betriebszeit hinweg nicht aufrechterhalten, da die Kontaktstücke weder in ihrer Formgestaltung noch in ihrer Werkstoffauswahl so beschaffen sein können, daß sie den an sie gestellten Anforderungen als Bestandteile der Lagerung einerseits und als elektrische Schaltelemente andererseits optimal entsprechen. Gestaltet man die Kontaktstücke nämlich als punktförmige Auflager oder scharfkantige Schneiden aus hartem Werkstoff, wie es für eine Lagerung hoher Qualität wünschenswert ist, dann ist die Kontakgabe unzuverlässig und im Betrieb entsteht je nach der Höhe der angelegten elektrischen Spannung ein mehr oder weniger großer Abbrand, der wiederum die Lagereigenschaften verschlechtert. Gestaltet man die Kontaktstücke dagegen im Hinblick auf ihre elektrischen Eigenschaften aus Edelmetall, so sind sie weicher als Bestandteile einer Punkt- oder Schneidenlagerung bei hohen Genauigkeitsanforderungen sein dürfen.
[0004] Diese Probleme werden noch verschärft, wenn der bekannte Meßtaster im Betrieb Kräften ausgesetzt ist, die in Richtung der Längsachse auf den Taststift einwirken und dazu führen, daß der Taststiftträger mit seinen drei sternförmig angeordneten Armen gleichzeitig vom Stützkörper abgehoben wird. In derart abgehobenem Zustand ist der Taststiftträger nur noch durch die axiale Schraubenfeder abgestützt, die schon bei äußerst geringen, in der Praxis nicht vermeidbaren Abweichungen von einer zur Längsachse koaxialen Gestaltung und Anordnung eine nicht genau axiale Reaktionskraft auf den Taststiftträger ausübt, so daß dieser bei einer vorbestimmten Belastung eine nicht genau vorbestimmbare Stellung einnimmt, in der bald das eine und bald das andere seiner Kontaktstücke mit dem Stützkörper eine mehr oder weniger unsichere, jedenfalls nicht hinreichend genau reproduzierbare elektrische Verbindung herstellt. Dadurch können Tastergebnisse vorgetäuscht werden, die nicht nur ungenau sind, sondern mit der Wirklichkeit in überhaupt keinem erkennbaren Zusammenhang mehr stehen.
[0005] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Meßtaster derart weiterzubilden, daß er während einer langen Lebensdauer genaue und reproduzierbare Meßergebnisse liefert.
[0006] Diese Aufgabe ist bei einem Meßtaster der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst,
- daß die Federung eine im wesentlichen normal zur Längsachse angeordnete elastische Scheibe aufweist, in deren Mitte der Taststiftträger befestigt ist, und die mit ihrem äußeren Rand am Gehäuse befestigt ist,
- und daß dem Taststiftträger mindestens ein von der Lagerung getrennter elektrischer Schalter für die Signalabgabe zugeordnet ist.
[0007] Damit wird erreicht, daß der Taststiftträger durch die elastische Scheibe stets ausreichend geführt ist, auch wenn er infolge axialer Belastung des Taststifts nicht mehr über die Lagerung am Stützkörper abgestützt ist. Der mindestens eine elektrische Schalter hat keinerlei Lage- - rungsaufgabe zu erfüllen und braucht deshalb nur im Hinblick auf seine elektrischen Eigenschaften gestaltet zu sein. Solche Schalter, beispielsweise mit Edelmetallkontakten in Schutzgasatmosphäre, sind in Ausführungsformen handelsüblich, die während einer langen Lebensdauer genau reproduzierbare Schaltungen gewährleisten. Die Lagerung für den Taststiftträger kann ohne Nachteil für die elektrische Kontaktgabe aus einem für Schneidenlager besonders geeigneten Werkstoff, beispielsweise gehärtetem Stahl bestehen, da sie von elektrischen Beanspruchungen vollständig freigehalten wird.
[0008] Der erfindungsgemäße Meßtaster eignet sich besonders zum Erfassen von Werkstück- oder Werkzeugmaßen an Werkzeugmaschinen mit Steuerung des Arbeitsablaufs und der Arbeitswege durch einen Rechner (NC- oder CNC-Steuerung). Der Meßtaster unterbricht beim Antasten der Werkstück- oder Werkzeugoberfläche nach einer kleinen Auslenkung des Taststifts einen Stromkreis und gibt somit ein Schaltsignal ab, das durch den Steuerungsrechner ausgewertet wird, wobei über Wegmeßsysteme der zugehörigen Werkzeug- oder Prüfmaschine beispielsweise eine Werkstück- oder Werkzeugposition errechnet werden kann.
[0009] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die elastische Scheibe durch eine zusätzliche Feder in Richtung der Längsachse belastet, so daß sie in der Ruhestellung nach außen vorgewölbt ist. Dies hat den Vorteil, den Weg zu vergrößern, um den der Taststiftträger einer axialen Belastung des Taststifts nachgeben kann, ohne daß die Gefahr einer Beschädigung der elastischen Scheibe besteht.
[0010] Die elastische Scheibe ist vorzugsweise kreisringförmig. Dies hat den Vorteil, daß bei allen denkbaren Auslenkungen des Taststifts aus seiner Ruhestellung ungleichmäßige Belastungen der elastischen Scheibe weitgehend vermieden werden und deren elastische Rückstellkräfte bei gleichgroßen Belastungen verschiedener Richtungen gleichgroß sind.
[0011] Die Erfindung ist vorzugsweise dadurch weitergebildet,
- daß der Taststiftträger ein den Taststift tragendes Außenteil sowie ein mit dem Stützkörper zusammenwirkendes Innenteil aufweist,
- und daß Außen- und Innenteil durch die elastische Scheibe hindurch miteinander verspannt sind.
[0012] Diese Art der Befestigung des Taststiftträgers an der elastischen Scheibe ist besonders einfach und zuverlässig.
[0013] Es ist ferner zweckmäßig, wenn die elastische Scheibe an ihrem äußeren Rand zwischen dem Stützkörper und einem am Gehäuse befestigten Flansch eingespannt ist. Damit wird erreicht, daß die elastische Scheibe wie eine Membran wirkt.
[0014] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die elastische Scheibe einen Raum des Gehäuses, der den Stützkörper, die Lagerung und bewegliche Teile des bzw. jedes Schalters enthält, dicht nach außen abschließt. Dadurch werden Verschmutzungen der genannten Teile ausgeschlossen, was wesentlich dazu beiträgt, Betriebssicherheit und Meßgenauigkeit des erfindungsgemäßen Meßtasters lange Zeit aufrecht zu erhalten.
[0015] Der Stützkörper kann ein in das Gehäuse eingesetzter Ring sein. Er kann somit beispielsweise aus gehärtetem Stahl bestehen, während das Gehäuse aus weicherem Werkstoff besteht, und es ist auch möglich, den Stützkörper auszuwechseln,wenn sich Abnutzungserscheinungen bemerkbar machen.
[0016] Es ist ferner vorteilhaft, wenn
- der Taststiftträger einen kreisförmigen Rand aufweist, an dem die Lagerung ausgebildet ist,
- und der Stützkörper an seiner von der elastischen Scheibe abgewandten Seite, an der sich die Lagerung abstützt, eben ist.
[0017] Dabei kann die Lagerung ein ununterbrochener Kreisring sein, sie kann aber auch aus mehreren in gleichmäßigen Winkelabständen rings um die zentrale Längsachse angeordneten Lagerpunkten oder einzelnen Schneiden bestehen.
[0018] Weiterhin ist die Erfindung vorzugsweise dadurch ausgestaltet,
- daß die Lagerung zwischen der elastischen Scheibe und einem Boden des Gehäuses angeordnet ist
- und daß der mindestens eine Schalter an dem Boden befestigt ist.
[0019] Dabei ist es zweckmäßig, wenn der mindestens eine Schalter mittels Feingewinde in Richtung der Längsachse einstellbar ist.
[0020] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen erfindungsgemäßen Meßtaster in einem axialen Längsschnitt.
[0021] Der dargestellte Meßtaster hat einen im wesentlichen rohrförmigen Halter 10 mit einem Schaft 12, an dem er sich beispielsweise in einen Schlitten einer Bearbeitungs- oder Meßmaschine einspannen läßt, und mit einem Kopf 14, der eine zylindrische Ausnehmung 16 sowie eine sich von dort aus durch den gesamten Schaft 12 hindurcherstreckende, abgestufte Bohrung 18 aufweist.
[0022] In die Ausnehmung 16 ist ein topfförmiges Gehäuse 20 eingesetzt, das mit Schrauben 21 am Kopf 14 befestigt ist und einen Boden 22 sowie eine im Abstand darüber angeordnete ringförmige Innenschulter 24 aufweist. Auf der Innenschulter 24 ruht ein in das Gehäuse 20 eingesetzter ringförmiger Stützkörper 26 aus gehärtetem Stahl. Darüber ist ein Flansch 28 am Gehäuse 20 mit Schrauben 29 befestigt.
[0023] Zwischen dem Stützkörper 26 und dem Flansch 28 ist eine membranartige, ringförmige elastische Scheibe 30 mit ihrem äußeren Rand eingespannt. Dieser äußere Rand ist in Dichtungsmaterial 32 eingebettet und die elastische Scheibe 30 ist insgesamt dicht, so daß sie den unter ihr angeordneten Innenraum des Gehäuses 20 hermetisch abschließt. Im dargestellten Beispiel besteht die elastische Scheibe 30 aus Federstahlblech von 0,1mm Dicke.
[0024] An der elastischen Scheibe 30 ist in deren Mitte ein Taststiftträger 34 befestigt. Zum Taststiftträger 34 gehört ein zylindrisches Außenteil 36, an dem ein Taststift 38 befestigt ist. Im dargestellten Beispiel stimmt die Achse des Taststifts 38 mit der im folgenden als zentrale Längsachse 40 bezeichneten Achse des gesamten Taststiftträgers 34 überein. Zusätzlich oder alternativ kann am Taststiftträger 34 mindestens ein Taststift 38 befestigt sein, dessen Achse eine andere Richtung hat, beispielsweise mit der zentralen Längsachse 40 einen rechten Winkel einschließt.
[0025] Das Außenteil 36 des Taststiftträgers 34 hat einen Gewindezapfen 42, der sich axial durch ein mittiges Loch der Scheibe 30 hindurcherstreckt und ein im wesentliches scheibenförmiges Innenteil 44 trägt, das ebenfalls zum Taststiftträger 34 gehört und mittels einer Mutter 46 derart befestigt ist, daß der mittlere Teil der elastischen Scheibe 30 zwischen Außenteil 36 und Innenteil 44 dicht und fest eingespannt ist.
[0026] Das scheibenförmige Innenteil 44 hat einen kreisringförmigen äußeren Rand 48, an dem eine Lagerung 50 ausgebildet ist. Die Lagerung kann die Form einer kreisringförmigen Schneide haben oder aus mehreren, beispielsweise sechs, in gleichmäßigen Abständen rings um die zentrale Längsachse 40 angeordneten kegelförmigen Lagerstellen oder prismenförmigen Lagerschneiden bestehen. In jedem Fall liegt die Lagerung 50 in der abgebildeten Ruhestellung des Taststiftträgers 34 mit einer definierten Vorspannung an einer ebenen Ringfläche an der Unterseite des Stützkörpers 26 an.
[0027] Der Boden 22 des Gehäuses 20 hat eine mittige Ausdrehung 52, in der das eine Ende einer zusätzlichen Feder 54 aufgenommen ist. Diese Feder 54, im dargestellten Beispiel eine zylindrische Schraubenfeder, drückt mit einer vorbestimmten axialen Kraft von unten her gegen das Innenteil 44 und ist im dargestellten Beispiel allein dafür verantwortlich, daß die Lagerung 50 in der Ruhestellung des Taststiftträgers 34 am Stützkörper 26 anliegt. Die elastische Scheibe 30 für sich alleine würde bewirken, daß die Lagerung 50 von der ebenen Unterseite des Stützkörpers 26 einen Abstand von beispielsweise 0,6mm hat. Die zusätzliche Feder 54 ist jedoch so kräftig bemessen, daß sie die elastische Scheibe 30 um den genannten Betrag von beispielsweise 0,6mm nach oben hin auswölbt; die elastische Scheibe 30 hat infolgedessen in der Ruhestellung des Taststiftträgers 34 die in der Zeichnung angedeutete Form eines flachen Kegelstumpfes.
[0028] Gegen den Widerstand der elastischen Scheibe 30 und der zusätzlichen Feder 54 läßt sich der Taststift 38 und mit ihm der Taststiftträger 34 in jeder beliebigen zur Längsachse 40 normalen Richtung auslenken. Außerdem läßt sich der Taststift 38 samt Taststiftträger 34 gegen den Widerstand der Feder 54 in Richtung der Längsachse zum Innenraum des Gehäuses 20 hin verschieben; diese Verschiebung wird in einem Anfangsstadium, solange die Scheibe 30 nach oben gewölbt ist, von dieser unterstützt. Ist die axiale Verschiebung jedoch so groß, daß die Scheibe 30 sich nach innen, bei der dargestellten Anordnung also nach unten durchwölbt, so erzeugt auch die Scheibe eine axiale Gegenkraft.
[0029] Am Boden 22 des Gehäuses 20 sind zwei elektrische Schalter 56 in bezug auf die Längsachse 40 einander diametral gegenüber angeordnet. Einer der Schalter 56 ist in der Zeichnung der Deutlichkeit halber gegenüber seiner tatsächlichen Lage um 90° versetzt dargestellt. Wenn Auslenkungen des Taststifts 38 in mehreren zur Längsachse 40 normalen Richtungen festgestellt werden sollen, sind am Boden 20 vorzugsweise vier Schalter 56 um je 90° gegeneinander versetzt angeordnet.
[0030] Jeder der Schalter 56 hat ein Feingewinde 58, mit dem er einstellbar in den Boden 22 eingeschraubt ist. Von den Schaltern 56 führen Leitungen 60 in einen Anschlußraum 62 am Ende des Schaftes 12. Dort kann beispielsweise ein Stecker, eine Induktionsspule od.dgl. angeordnet sein, um die Schalter 56 mit weiterführenden Leitungen an der zugehörigen Bearbeitungs- oder Prüfmaschine zu verbinden.
- einem Gehäuse (20), an dem ein Stützkörper (26) angeordnet ist,
- einem Taststiftträger (34), der sich über eine rings um eine zentrale Längsachse (40) angeordnete Lagerung (50) am Stützkörper (26) abstützt und zur Befestigung mindestens eines Taststifts (38) ausgebildet ist,
- und einer Federung (30,54), die bestrebt ist, den Taststiftträger (34) in einer Ruhestellung zu halten, in der er sich über die gesamte Lagerung (50) am Stützkörper (26) abstützt, jedoch bei Einwirkung einer äußeren Kraft auf den Taststift (38) ein Kippen des Taststiftträgers (34) um eine quer zur Richtung dieser Kraft und zur Längsachse (40) verlaufende Querachse sowie eine durch das Kippen bedingte Signalabgabe ermöglicht, dadurch gekennzeichnet ,
- daß die Federung (30,54) eine im wesentlichen normal zur Längsachse (40) angeordnete, elastische Scheibe (30) aufweist, in deren Mitte der Taststiftträger (34) befestigt ist, und die mit ihrem äußeren Rand am Gehäuse (20) befestigt ist,
- und daß dem Taststiftträger (34) mindestens ein von der Lagerung (50) getrennter elektrischer Schalter (56) für die Signalabgabe zugeordnet ist.
dadurch gekennzeichnet , daß die elastische Scheibe (30) durch eine zusätzliche Feder (54) in Richtung der Längsachse (40) belastet ist, so daß sie in der Ruhestellung nach außen vorgewölbt ist.
dadurch gekennzeichnet ,
daß die elastische Scheibe (30) kreisringförmig ist.
dadurch gekennzeichnet ,
- daß der Taststiftträger (34) ein den Taststift (38) tragendes Außenteil (36) sowie ein mit dem Stützkörper (26) zusammenwirkendes Innenteil (44) aufweist,
- und daß Außen- und Innenteil (36,44) durch die elastische Scheibe (30) hindurch miteinander verspannt sind.
dadurch gekennzeichnet , daß die elastische Scheibe (30) an ihrem äußeren Rand zwischen dem Stützkörper (26) und einem am Gehäuse (20) befestigten Flansch (28) eingespannt ist.
dadurch gekennzeichnet ,
daß die elastische Scheibe (30) einen Raum des Gehäuses (20), der den Stützkörper (26), die Lagerung (50) und bewegliche Teile des bzw. jedes Schalters (56) enthält, dicht nach außen abschließt.
dadurch gekennzeichnet ,
daß der Stützkörper (26) ein in das Gehäuse (20) eingesetzter Ring ist.
- daß der Taststiftträger (34) einen kreisförmigen Rand (48) aufweist, an dem die Lagerung (50) ausgebildet ist,
- und daß der Stützkörper (26) an seiner von der elastischen Scheibe (30) abgewandten Seite, an der sich die Lagerung (50) abstützt, eben ist.
- daß die Lagerung (50) zwischen der elastischen Scheibe (30) und einem Boden (22) des Gehäuses (20) angeordnet ist
- und daß der mindestens eine Schalter (56) an dem Boden (22) befestigt ist.
dadurch gekennzeichnet ,
daß der mindestens eine Schalter (56) mittels Feingewinde (58) in Richtung der Längsachse (40) einstellbar ist.